DE3539027A1 - Steuerverfahren und schaltungsanordnung fuer einen gleichrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens für einen Gleichrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Steuerverfahren und eine solche Schaltungsanordnung für einen Gleichrichter sind aus der DE-PS 22 17 023 bekannt. Dort wird eine Speiseschaltung für einen von einer ein- oder mehrphasigen Wechselstromquelle gespeisten Gleichstromverbraucher mit veränderbarem Strom beschrieben, bei der jeder an einem Netztransformator liegenden Diode eines Vollwellengleichrichters ein zwangslöschbares Ventil antiparallel geschaltet ist. Dabei sind Einrichtungen (Stromwandler zur Erfassung des Netzstromistwertes, Stromregler, Steuersatz) vorhanden, mittels derer die Zünd- und Löschzeitpunkte der Ventile in Abhängigkeit von Meßgrößen der Anordnung verstellbar sind.

Diese unter der Bezeichnung "Vierquadrantensteller" bekannte Schaltung eignet sich insbesondere zur Speisung eines Gleichspannungszwichenkreises aus einem Wechselstromkreis. Dem Gleichspannungszwischenkreis ist vorzugsweise ein Pulswechselrichter zur Versorgung eines Drehstromantriebes nachgeschaltet. Die momentane Leistungsdifferenz zwischen dem pulsierenden Leistungsangebot (Netz) und der kontinuierlichen Leistungsabnahme (Antrieb) wird mit Hilfe einer LC-Kombination (Saugkreis) ausgeglichen, welche an den Zwischenkreis zwischen Vierquadrantensteller und Wechselrichter angeschlossen ist. Damit wird dem speisenden Netz rein sinusförmiger Strom entnommen. Es ist ein Stromfluß in beiden Richtungen möglich.

Beim Vierquadrantensteller muß jedoch in nachteiliger Weise eine sehr aufwendige Steuer- und Regelelektronik eingesetzt werden. Zudem sind spezielle Leistungsfilter in den Netzzuleitungen erforderlich, da die zwangslöschbaren Ventile mit hoher Frequenz und mit steilen Flanken schalten.

In der Antriebstechnik besteht vielfach die Forderung nach einem sehr einfach aufgebauten, netzgeführten, ungesteuerten Gleichrichter zur Speisung des Gleichspannungszwischenkreises eines Antriebsumrichters aus dem Dreiphasennetz, wobei die Forderung, dem Netz einen möglichst sinusförmigen Strom zu entnehmen bzw. zuzuführen, nicht von Bedeutung ist. Da der vom Umrichter mit variabler Dreiphasenspannung und variabler Frequenz versorgte Drehstrommotor nicht nur treiben, sondern auch bremsen soll, muß jedoch ein Stromfluß in beiden Richtungen möglich sein.

Beim Bremsbetrieb fließt Energie vom Motor über den Umrichter in den Gleichstromzwischenkreis und von dort ins Netz. Dies ist bei ungesteuerten Gleichrichtern, die nur Dioden enthalten, nicht möglich. Deshalb müssen in Antriebsumrichtern mit Diodenbrücken im Netzeingang elektronisch schaltbare Bremswiderstände angeordnet sein, die die anfallende Bremsenergie in Wärme umsetzen.

Soll die Bremsenergie jedoch in das Netz zurückgespeist werden, so benötigt man einen zweiten Gleichrichter mit steuerbaren Ventilen für die zweite Stromrichtung. Dabei können nicht abschaltbare Ventile, z. B. Thyristoren, oder abschaltbare Ventile, z. B. Transistoren, eingesetzt werden. Wird einem Gleichrichter mit sechs Dioden in Drehstrombrückenschaltung für die erste Stromrichtung eine Drehstrombrücke mit Thyristoren für die zweite Stromrichtung zugeordnet, so benötigt man neben einem aufwendigen Steuersatz, der sechs Zündimpulse pro Netzperiode mit einem Zündverzögerungswinkel von 150° liefert, eine oder zwei Kreisstromdrosseln und einen Trenn- oder Spartransformator. Die Kreisstromdrosseln müssen die momentanen Spannungsdifferenzen zwischen den beiden Gleichspannungen von Diodenbrücke und Thyristorbrücke aufnehmen und der Transformator muß den Spannungsverlust ausgleichen, der sich aus dem Zündverzögerungswinkel von 150° ergibt.

Soll der beträchtliche Aufwand an induktiven Leistungskomponenten vermieden werden, so muß man auf die einfache Diodenbrücke für die erste Stromrichtung verzichten und stattdessen zwei antiparallele thyristorisierte Brückenschaltungen einsetzen, für jede Stromrichtung eine. Dies hat neben dem Aufwand für die komplizierte Steuer- und Regeleinrichtung zur Erzeugung der Zündimpulse den schwerwiegenden Nachteil, daß die Zwischenkreisgleichspannung nicht so groß sein kann wie bei einem ungesteuerten Gleichrichter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens für einen Gleichrichter der eingangs genannten Art anzugeben, der einen Stromfluß in beiden Richtungen ermöglicht und trotzdem vom netzgeführten und ungesteuerten Typ ist.

Diese Aufgabe wird für das Steuerverfahren durch die im Anspruch 1 und für die Schaltungsanordnung durch die im Anspruch 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß der Gleichrichter keine aufwendige Steuer- und Regelelektronik benötigt. Das Steuerverfahren und die Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Steuerverfahrens sind vielmehr sehr einfach. Obwohl der Gleichrichter mit abschaltbaren Ventilen arbeitet, ist die Gleichspannung so hoch wie bei einem ungesteuerten Gleichrichter. Die abschaltbaren Ventile schalten nur mit Netzfrequenz und nach dem Abschalten steigt an ihnen die Spannung nur langsam an. Deshalb sind GTO-Thyristoren als elektronisch steuerbare Schalter besonders gut geeignet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Schaltungsaufbau des bidirektionalen Gleichrichters mit zugehöriger Steuereinheit,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der interessierenden Spannungen und Signale und

Fig. 3 bis 6 verschiedene Varianten elektronisch steuerbarer Schalter.

In Fig. 1 ist der Schaltungsaufbau des bidirektionalen Gleichrichters mit zugehöriger Steuereinheit dargestellt. Man erkennt drei Netzwechselspannungsanschlüsse 1, 2, 3 zum Anschluß eines dreiphasigen Wechselspannungssystems (Drehstromnetz). Die an den Anschlüssen 1, 2, 3 anstehenden Netzwechselspannungen sind mit U 1, U 2, U 3 bezeichnet. Mit den drei Anschlüssen 1, 2, 3 ist eine kapazitive Netzbeschaltung 4 verbunden, die aus drei Kondensatoren in Stern- oder Dreieckschaltung besteht.

Die drei Anschlüsse 1, 2, 3 sind mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen des netzgeführten, bidirektionalen Gleichrichters 5 verbunden. Der in allgemein bekannter Drehstrombrückenschaltung aufgebaute Gleichrichter 5 weist sechs Hauptdioden V 1. . .V 6 auf. Als Gleichspannungsanschlüsse des Gleichrichters 5 sind ein Pluspol 6 und ein Minuspol 7 vorgesehen. Zwischen den beiden Polen 6, 7 liegt die ungesteuerte Gleichspannung U _DC . Mit den Polen 6, 7 ist ein nicht dargestellter Gleichspannungsverbraucher verbunden, z. B. ein Gleichspannungszwischenkreis eines nachgeschalteten Antriebsumrichters. Über die Pole 6, 7 kann Gleichstrom +I, -I in beiden RIchtungen fließen.

Zur Ermöglichung eines Gleichstromes +I, -I in beiden Richtungen in jedem der sechs Brückenzweige ist jeder Hauptdiode V 1. . .V 6 des Gleichrichters 5 ein elektronisch steuerbarer Schalter S 1. . .S 6 parallelgeschaltet. Zur Ansteuerung dieses Schalters S 1. . .S 6 ist eine zentrale Steuereinheit 8 vorgesehen.

Die Steuereinheit 8 weist einen Hilfsgleichrichter auf, bestehend aus sechs Hilfsdioden V 11. .V 66 in allgemein bekannter Drehstrombrückenschaltung. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse des Hilfsgleichrichters sind direkt mit den drei Netzwechselspannungsanschlüssen 1, 2, 3 verbunden. Die gleichspannungsseitigen Anschlüsse des Hilfsgleichrichters sind über einen hochohmigen Bürdenwiderstand RB miteinander verbunden. Der durch den Bürdenwiderstand RB fließende Bürdenstrom ist mit I _RB bezeichnet.

Zwischen jeder Hilfsdiode V 11. . .V 66 und dem zugeordneten gleichspannungsseitigen Anschluß des Hilfsgleichrichters ist jeweils ein Optokoppler K 1. . .K 6 mit einer Leuchtdiode geschaltet. Der jedem Optokoppler K 1. .K 6 eigene, von der zugehörigen Leuchtdiode angesteuerte Fototransistor ist mit einem jeweils nachgeschalteten Verstärker A 1. . .- A 6 verbunden. Die Verstärker A 1. . .A 6 geben dabei in Abhängigkeit der Licht emittierenden Leuchtdiode jeweils Einschaltsignale E 1. . .E 6 an die elektronisch steuerbaren Schalter S 1. . .S 6 ab.

Der ohmsche Widerstandswert des Bürdenwiderstandes RB ist so bemessen, daß der sich im Leitzustand der Hilfsdioden V 1. . .V 66 einstellende Bürdenstrom I _RB einen für die Leuchtdioden der Optokoppler K 1. .K 6 geeigneten kleinen Wert erreicht (z. B. 10 mA), jedoch nicht lückt.

Formal gleicht der Schaltungsaubau des bidirektionalen Gleichrichters dem aus der eingangs erwähnten DE-PS 22 17 23 bekannten Vierquadrantensteller in dreiphasiger Ausführung, wie er für Antriebszwecke, z. B. zur Speisung eines Drehstrommotors über einen Gleichspannungszwischenkreis und zur Speisung des Gleichspannungszwischenkreises aus einem Wechselspannungsnetz bei sinusförmigem Netzstrom eingesetzt wird. Jedoch ist im bekannten Fall die Schaltfrequenz der elektronisch steuerbaren Schalter hoch und die Impedanz an den drei Netzwechselspannungsanschlüssen muß induktiv sein. Im vorliegenden Fall ist die Impedanz jedoch kapazitiv und die Schaltfrequenz der elektronisch steuerbaren Schalter S 1. . .S 6 ist niedrig (Netzfrequenz). Die Anforderungen an die Ausschaltfähigkeit der elektronisch steuerbaren Schalter sind daher besonders gering.

Die kapazitive Netzbeschaltung dient dazu, die beim Schalten der elektronisch steuerbaren Schalter S 1. .S 6 auftretenden Spannungsspitzen herabzusetzen bzw. zu verhindern.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der interessierenden Spannungen dargestellt. Es sind drei jeweils um 120° el versetzten Netzwechselspannungen U 1, U 2, U 3 sowie die sechs Einschaltsignale E 1. . .E 6 gezeigt.

Es ist ersichtlich, daß die Hilfsdioden V 11. . .V 66 jeweils während 120° el einer 360° el dauernden Netzperiode leitend sind, und zwar synchron zu den entsprechenden Hauptdioden V 1. . .V 6. Die jeweils während eines Bereiches von 120° el fließenden Ströme über die Hilfsdioden V 11. . .V 66 beinhalten daher die Einschaltinformationen für die elektronisch steuerbaren Schalter S 1. . .S 6. Die Bezifferung V 1. . .V 6 bzw. V 11. . .V 66 gibt dabei die Reihenfolge des Stromflußbeginns an.

Da die Ströme in den Hilfsdioden V 11. .V 66 jeweils auch durch die Leuchtdioden in den zugeordneten Optokopplern K 1. . .K 6 fließen und diese zur Lichtemission anregen, stehen an den Ausgängen der Optokoppler K 1. . .K 6 die 120° "langen" Einschaltinformation für die elektronisch steuerbaren Schalter S 1. . .S 6 potentialgetrennt zur Verfügung. Die Verstärker A 1. .A 6 verstärken diese Signale und geben entsprechende Einschaltsignale E 1. . .E 6 an die elektronisch steuerbaren Schalter S 1. . .S 6 ab. Weist das Einschaltsignal E 1. . .E 6 den logischen Wert "1" auf, so wird der zugehörige elektronisch steuerbare Schalter S 1. . .S 6 geschlossen. Weist das Einschaltsignal E 1. . .E 6 den logischen Wert "0" auf, so wird der zugehörige elektronisch steuerbare Schalter S 1. . .S 6 geöffnet.

Die Einschaltbefehle E 1. .E 6 für jeden der sechs elektronisch steuerbaren Schalter S 1. . .S 6 decken sich demnach mit den vom Netz geführten Leitdauern der jeweilig parallelen Hauptdioden V 1. . .V 6, wie sie sich bei nichtlückendem Gleichstrom mit der Energieflußrichtung vom Netz zum Gleichspannungsverbraucher ergeben.

Somit führt das Netz indirekt die Leitphasen der elektronisch steuerbaren Schalter S 1. . .S 6 und direkt die Leitphasen der Hauptdioden V 1. . .V 6. Der bidirektoniale Gleichrichter 5 ist daher trotz der elektronisch ein- und ausschaltbaren Schalter S 1. . .S 6 ein ungesteuerter Typ, d. h. die Gleichspannung ist nicht veränderbar und es gilt bei der Drehstrombrückenschaltung die bekannte feste Beziehung U _DC = 1,35 U _AC (U _AC = Phasenspannung).

Im einzelnen gilt für die Spannungen und Signale folgendes:
Im Bereich 0° ωτ 120° el befinden sich u. a. die Dioden V 1 und V 11 im Leitzustand. Der über die Hilfsdiode V 11 und die Leuchtdiode des Optokopplers A 1 fließende Bürdenstrom I _RB hat ein entsprechendes Einschaltsignal E 1 = "1" am Ausgang des Verstärkers A 1 zur Folge, wodurch der elektronisch steuerbare Schalter S 1 geschlossen wird.

Im Bereich 60° ωτ 180° el befinden sich u. a. die Dioden V 2 und V 22 im Leitzustand. Folglich weist das Einschaltsignal E 2 den logischen Wert "1" auf, wodurch der elektronisch steuerbare Schalter S 2 geschlossen wird. Im Bereich 120° ωτ 240° befinden sich u. a. die Dioden V 3 und V 33 im Leitzustand, das Einschaltsignal E 3 = "1" und der Schalter S 3 ist geschlossen. Im Bereich 180° ωτ 300°el leiten u. a. die Dioden V 4 und V 44. das Einschaltsignal E 4 = "1" und der Schalter S 4 ist geschlossen. Im Bereich 240° ωτ 360°el leiten u. a. die Dioden V 5 und V 55, das Einschaltsignal E 5 = "1" und der Schalter S 5 ist geschlossen. Im Bereich 300° ωτ 60° befinden sich u. a. die Dioden V 6 und V 66 im Leitzustand, das Einschaltsignal E 6 = "1" und der Schalter S 6 ist geschlossen.

Zur Detektierung der Ströme in den Hilfsdioden V 11 bis V 66 sind Optokoppler wegen ihrer Einfachheit besonders vorteilhaft. Andere Stromsensoren mit Potentialtrennung sind jedoch ebenfalls einsetzbar. In die direkte Verbindung zwischen den Netzwechselspannungsanschlüssen 1, 2, 3 und dem Hilfsgleichrichter der Steuereinheit 8 kann auch ein Anpaßtransformator eingefügt werden, der jedoch keine Phasenschwenkung bewirken darf. Ein eingefügter Transformator oder eine andere Stromauswertung haben jedoch keinen Einfluß auf das Steuerprinzip an sich.

Ebenso ist der Typ des zum Einsatz gelangenden elektronisch steuerbaren Schalters S 1. . .S 6 ohne Einfluß auf das Steuerprinzip an sich. In den Fig. 3 bis 6 sind verschiedene Varianten elektronisch steuerbarer Schalter dargestellt.

Gemäß Fig. 3 kann ein Feldeffekttransistor 9 für einen elektronisch steuerbaren Schalter S 1. . .S 6 mit parallel geschalteter Hauptdiode V 1. . .V 6 eingesetzt werden. Die parasitäre interne Diode des Feldeffekttransistors 9 ersetzt dabei die Hauptdiode V 1. .V 6 und kann für die erste Stromrichtung +I benutzt werden, während die Transistorfunktion, d. h. die Ansteuerung der Steuerelektrode mittels Einschaltsignal, für die zweite Stromrichtung -I zum Tragen kommt.

Gemäß Fig. 4 kann auch ein Darlington-Transistor 10 für einen elektronisch steuerbaren Schalter S 1. . .S 6 mit parallel geschalteter Hauptdiode V 1. . .V 6 eingesetzt werden. Auch hierbei ersetzt die interne parasitäre Diode des Darlington-Transistors 10 die Hauptdiode V 1. .V 6 und wird für die erste Stromrichtung +I benutzt, während die eigentliche Transistorfunktion für die zweite Stromrichtung -I zum Tragen kommt.

Gemäß Fig. 5 kann ein bipolarer Transistor 11 als elektronisch steuerbarer Schalter V 1. . .V 6 eingesetzt werden, wobei bei dieser Variante jedoch jeweils eine eigene, parallel zum Transistor 11 angeordnete Hauptdiode V 1. . .V 6 notwendig ist.

Gemäß Fig. 6 kann ein GTO-Thyristor 12 (GTO = gate turn off) als elektronisch steuerbarer Schalter V 1. . .V 6 eingesetzt werden. Auch bei dieser Variante ist jeweils eine eigene Hauptdiode V 1. . . .V 6 parallel zum GTO-Thyristor 12 zu schalten.

Der bidirektionale Gleichrichter 5 ist zwar vorzugsweise, wie beschrieben, als Drehstrombrückenschaltung aufgebaut, er ist jedoch auch in allen anderen allgemein bekannten Stromrichterschaltungen, wie Sternschaltung oder Mittelpunktschaltung ausführbar. Neben der beschriebenen dreiphasigen Ausführungsform ist auch die ein- bzw. zweiphasige oder beliebig mehrphasige Ausführungsform einsetzbar. Bei allen verschiedenen Ausführungsvarianten ist wesentlich, daß der Hilfsgleichrichter der Steuereinheit vom gleichen Typ und gleicher Aufbauart wie der Hauptgleichrichter ist, um stets ein getreues Abbild der Leitphasen der Hauptdioden zu erhalten.

Claims (13)

1. Steuerverfahren für einen an einem Wechselspannungsnetz liegenden Gleichrichter, der für jede Spannungsphase mindestens eine Diode mit hierzu parallel geschaltetem elektronisch steuerbarem Schalter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltphasen jedes elektronisch steuerbaren Schalters synchron zu den Leitphasen der zugeordneten, netzgeführten Diode gesteuert werden.

2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltphasen der elektronisch steuerbaren Schalter aus den Strömen eines parallel zum Gleichrichter liegenden Hilfsgleichrichters abgeleitet werden.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Steuerverfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung der Einschaltphasen der elektronisch steuerbaren Schalter (S 1. . .S 6) dienende, am Wechselspannungsnetz angeschlossene Hilfsgleichrichter (V 11. . . .V 66) gleichspannungsseitig mit einem hochohmigen Bürdenwiderstand (RB) abgeschlossen ist und in Reihe zu jeder seiner Hilfsdioden (V 11. . .V 66) ein zur Ansteuerung eines elektronisch steuerbaren Schalters dienender Stromsensor angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsgleichrichter über einen Transformer am Wechselspannungsnetz angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromsensor ein Optokoppler (K 1. . .K 6) mit nachgeschaltetem Verstärker (A 1. . .A 6) eingesetzt wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldeffekttransistor (9) als elektronisch steuerbarer Schalter (S 1. . .S 6) mit paralleler Diode (V 1. . .V 6) eingesetzt wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Darlington-Transistor (10) als elektronisch steuerbarer Schalter (S 1. . .S 6) mit paralleler Diode (V 1. . .V 6) eingesetzt wird.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein bipolarer Transistor als elektronisch steuerbarer Schalter (S 1. . .S 6) eingesetzt wird.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein GTO-Thyristor als elektronisch steuerbarer Schalter (S 1. . .S 6) eingesetzt wird.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwechselspannungsanschlüsse (1, 2, 3) des Gleichrichters (5) mit einer kapazitiven Netzbeschaltung (4) verbunden sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, gekennzeichnet durch einen Aufbau des Gleichrichters und des zugehörigen Hilfsgleichrichters als Drehstrombrückenschaltungen.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, gekennzeichnet durch einen Aufbau des Gleichrichters und des zugehörigen Hilfsgleichrichters als Mittelpunktschaltung.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, gekennzeichnet durch einen Aufbau des Gleichrichters und des zugehörigen Hilfsgleichrichters als Sternschaltung.